低硫油時(shí)代的汽缸油管理

呂奇?zhèn)?婁建偉

2020年1月1日起，燃油“限硫令”生效，全球航運(yùn)市場(chǎng)進(jìn)入低硫油時(shí)代，船舶燃油硫含量發(fā)生巨大變化。在高硫油轉(zhuǎn)變?yōu)榈土蛴偷倪^程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油管理和燃燒室的工況也發(fā)生了急劇的變化，汽缸油管理也隨之改變，其間時(shí)有汽缸油使用不當(dāng)引起故障的反饋。從船舶主機(jī)使用低硫油前后掃氣箱內(nèi)部各階段檢查情況著手，結(jié)合各階段掃氣箱殘余堿值化驗(yàn)結(jié)果分析，努力尋找低硫油情況下汽缸油管理途徑。

一、調(diào)研船舶概況

船舶的主機(jī)型號(hào)為WARSILIA 6RT-flex48TD，額定功率為8730 kW，額定轉(zhuǎn)速為127 r/min，常用轉(zhuǎn)速為100～105 r/min，汽缸油注油率為0.95～1.15 g/kWh。2019年11月之前，使用燃油硫含量平均值為2.45%m/m的高硫燃油，該船使用BN（堿值）70汽缸油；2019年11月—2019年12月為高硫油改低硫油轉(zhuǎn)換期，該船使用BN（堿值）70汽缸油；2019年12月底該船開始使用硫含量平均值為0.46%m/m的低硫燃油，自2020年3月起該船使用BN40汽缸油。

二、各階段活塞、缸套檢查情況

（一）使用高硫油階段

該船自出廠以來至2019年11月，一直使用高硫油，燃油平均硫含量為2.45%m/m，配之BN70汽缸油，運(yùn)行了15 530 h，汽缸油注油率為1.05 g/kWh，其缸套、活塞檢查情況如圖1所示。

圖1 活塞環(huán)、活塞頭及汽缸套內(nèi)壁情況

檢查情況說明：1.活塞環(huán)清潔，環(huán)槽清爽。2.活塞頂部干潔，活塞頭周向有結(jié)炭現(xiàn)象，略有輕微白點(diǎn)。3.缸套內(nèi)壁清潔，手感光滑，有明顯衍紋。4.掃氣箱內(nèi)部稍有殘留物，掃氣口清潔無結(jié)炭，掃氣箱底部無積存油泥，底色可見，輕輕擦拭即可去除臟污。5. 手摸掃氣箱殘?jiān)杏X油滑。

檢查表明：該機(jī)工況良好，汽缸油匹配良好。

（二）高低硫油轉(zhuǎn)換階段

在運(yùn)行15 530—16 046 h的階段，主機(jī)使用的燃油硫含量從2.45%m/m過渡至0.46%m/m，配之BN70汽缸油，汽缸油注油率為1.05 g/kWh，其缸套、活塞檢查情況如圖2所示。

圖2 活塞環(huán)、活塞頭及汽缸套內(nèi)壁情況

檢查情況說明：1. 活塞環(huán)清潔，環(huán)槽清爽。2. 活塞頂部干潔，活塞頭周向有結(jié)炭現(xiàn)象，活塞頭上部周向已被白色沉淀物覆蓋。3. 缸套內(nèi)壁清潔，衍紋變淡，缸套內(nèi)壁出現(xiàn)白色麻點(diǎn)，多而不連續(xù)，手感光滑。4. 掃氣箱內(nèi)部稍有殘留物，掃氣口清潔無結(jié)炭，掃氣箱底部無積存油泥，底色可見，輕輕擦拭即可去除臟污，掃氣口比上一階段更清潔些。5.手模掃氣箱殘?jiān)?，有粗顆粒感覺。

（三）低硫油使用初始階段

在運(yùn)行16 046—16 546 h的階段，主機(jī)使用的燃油硫含量為0.46%m/m，汽缸油從BN70過渡至BN40，汽缸油注油率為1.10 g/kWh，其缸套、活塞檢查情況如圖3所示。

圖3 活塞環(huán)、活塞頭及汽缸套內(nèi)壁情況

檢查情況說明：1. 活塞環(huán)清潔，環(huán)槽清爽。2. 活塞頂部已被白色沉淀覆蓋，活塞頭周向有結(jié)炭現(xiàn)象，活塞頭周向已被白色沉淀物逐漸覆蓋。3. 缸套內(nèi)壁清潔，衍紋不清，缸套內(nèi)壁出現(xiàn)大量白色麻點(diǎn)，出現(xiàn)點(diǎn)條紋，手感光滑。4. 掃氣箱內(nèi)部有粗大殘留物；掃氣口清潔無結(jié)炭；掃氣箱底部積存堅(jiān)硬油渣，鏟除困難，刮擦后呈白色。5.手摸掃氣箱殘?jiān)?，有明顯粗顆粒感覺。

（四）低硫油使用調(diào)整階段

在運(yùn)行16 546—17 701 h的階段，主機(jī)使用的燃油硫含量為0.46%m/m，使用BN40汽缸油，汽缸油注油率為1.10 g/kWh，其缸套、活塞檢查情況如圖4所示。

圖4 活塞環(huán)、活塞頭及汽缸套內(nèi)壁情況

檢查情況說明：1. 活塞環(huán)較濕潤(rùn)，環(huán)槽清爽。2. 活塞頂部白色沉淀已被黑色炭末覆蓋，活塞頭周向有結(jié)炭現(xiàn)象，活塞頭周向白色沉淀物再次被黑色炭末覆蓋。手刮活塞頭表面，有多層白色、黑色沉淀物。3. 缸套內(nèi)壁清潔，衍紋不清，缸套內(nèi)壁出現(xiàn)的大量白色麻點(diǎn)變淡，點(diǎn)條紋變模糊，手感光滑。4. 掃氣箱內(nèi)部變臟，不再清潔，粗大殘留物減少；掃氣口清潔無結(jié)炭；掃氣箱底部積存堅(jiān)硬油渣，鏟除困難，刮擦后呈白色，表面層油渣較難擦洗。5.手摸掃氣箱殘?jiān)诸w粒明顯減少，油泥增多。

（五）低硫油正常使用階段

在運(yùn)行17 701—18 984—20 434 h的階段，主機(jī)使用的燃油硫含量為0.46%m/m，使用BN40汽缸油，汽缸油注油率從1.10 g/kWh降至1.0 g/kWh，其缸套、活塞檢查情況如圖5所示。

圖5 活塞環(huán)、活塞頭及汽缸套內(nèi)壁情況

檢查情況說明：1. 活塞環(huán)濕潤(rùn)，環(huán)槽濕潤(rùn)。2.活塞頂部白色沉淀已被黑色炭末覆蓋，活塞頭周向有結(jié)炭現(xiàn)象，白色沉淀物再次被黑色炭末覆蓋。手刮活塞頭表面，有多層白色、黑色沉淀物。3.缸套內(nèi)壁清潔，衍紋不清，缸套內(nèi)壁出現(xiàn)的大量白色麻點(diǎn)變淡，出現(xiàn)點(diǎn)條紋變模糊，手感光滑。4.掃氣箱內(nèi)部變臟，不再像以前一樣清潔，粗大殘留物減少；掃氣口清潔無結(jié)炭，有油泥；掃氣箱底部積存堅(jiān)硬油渣，鏟除困難，刮擦后呈白色，表面層油渣擦洗方便，無殘留。5.手摸掃氣箱殘?jiān)诸w粒消失，油泥增多，手感光滑，擦抹方便。

三、各階段掃氣箱殘?jiān)?yàn)結(jié)果分析

（一）各階段掃氣箱殘余堿值化驗(yàn)比對(duì)

如圖6所示，在高低硫油轉(zhuǎn)換過程中，13 866—15 530 h期間，自高硫油配BN70汽缸油使用，總體殘余堿值符合標(biāo)準(zhǔn)；15 530—16 546 h期間，高硫油轉(zhuǎn)至低硫油階段，仍使用BN70汽缸油，殘余堿值明顯上升；16 546—17 701 h期間，汽缸油逐漸轉(zhuǎn)至BN40，殘余堿值逐漸下降，17 701—18 984—20 434 h期間，使用低硫油配BN40汽缸油，殘余堿值趨于穩(wěn)定并正常狀態(tài)。

圖6 各階段掃氣箱殘余堿值化驗(yàn)比對(duì)

（二）低硫油轉(zhuǎn)換過程中鐵含量變化

各階段掃氣箱殘?jiān)F含量如圖7所示， 鐵含量一直低于100 ppm，表明主機(jī)現(xiàn)階段運(yùn)行良好。

圖7 低硫油轉(zhuǎn)換過程的鐵含量變化

（三）掃氣箱殘?jiān)秀t含量檢測(cè)

如圖8所示，掃氣箱殘?jiān)械你t含量檢測(cè)結(jié)果表明：在低硫油轉(zhuǎn)換過程中，使用原有BN70的汽缸油，活塞環(huán)磨損明顯加大。

圖8 掃氣箱殘?jiān)t含量檢測(cè)結(jié)果

四、使用低硫油時(shí)的汽缸油管理分析

（一）使用低硫油情況下的不同堿值汽缸油性能

（1）在使用低硫燃油期間，BN70汽缸油堿值明顯偏高，主要表現(xiàn)為活塞頭白色結(jié)晶明顯增多，缸套內(nèi)壁出現(xiàn)白斑，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，該現(xiàn)象越來越明顯。

（2）在使用低硫燃油期間，配BN70汽缸油，掃氣箱殘留顆粒粗大，掃氣箱底部白色沉淀物堅(jiān)硬，不易清除。

（3）在使用低硫燃油期間，配BN70汽缸油，活塞環(huán)磨損加劇，化驗(yàn)結(jié)果表明，掃氣箱殘?jiān)秀t含量增大。

（4）在使用低硫燃油期間，配BN40汽缸油，掃氣箱變臟。掃氣箱殘留顆粒變小，手感滑膩，擦抹方便?；钊h(huán)磨損正常，鐵含量降低，缸套磨損也處于良好狀態(tài)。

（二）活塞頭與缸套白色沉淀物分析

柴油機(jī)在正常的工作狀態(tài)下，由于得到缸套冷卻水的持續(xù)有效冷卻，燃燒室缸套內(nèi)壁在350 ℃左右或高于350 ℃，在該溫度下，汽缸油黏度下降到1cst，缸壁潤(rùn)滑油膜厚度小于3μm，處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。即便是極其稀薄的汽缸油膜也需存貯空間，即汽缸壁上的微小凹坑。高硫燃油具有適當(dāng)?shù)乃岫?，能夠打開汽缸內(nèi)壁的石墨結(jié)構(gòu)，在缸套表面產(chǎn)生微小大約直徑50μm、深度10～15μm的腐蝕坑，這些凹坑充當(dāng)儲(chǔ)油層，使汽缸油膜能在汽缸壁上有存貯空間，以保留汽缸油。而低硫油的酸度相對(duì)較低，無法打開汽缸內(nèi)壁的石墨結(jié)構(gòu)，這些凹坑就不會(huì)在汽缸內(nèi)表面形成，而沒有潤(rùn)滑油膜和貯油凹坑將導(dǎo)致活塞與缸套內(nèi)表面之間產(chǎn)生直接摩擦。

我們對(duì)活塞頂部白色沉淀物進(jìn)行了取樣分析，應(yīng)是汽缸油堿性添加劑未完全中和的產(chǎn)物。因?yàn)槠子偷奶砑觿┲泻写罅库}（Ca）化合物，在燃燒室的高溫高壓工況下，添加劑中的Ca離子轉(zhuǎn)化為CaSO4/CaCO3，呈白色結(jié)晶狀。在使用低硫油之后，燃油中硫含量下降，致使CaSO4結(jié)晶下降，而CaCO3結(jié)晶相應(yīng)增多。由于CaCO3熔點(diǎn)高，有無定形和結(jié)晶兩種形態(tài)，結(jié)晶形態(tài)中又可分為斜方晶系和六方晶系，呈柱狀或菱形。在活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)下，這些沉淀物松脫，在缸套內(nèi)壁與活塞環(huán)表面之間形成磨料，這些磨料填平了汽缸套內(nèi)壁的凹坑，使汽缸套內(nèi)壁及活塞環(huán)表面形成光面。雖然白色麻點(diǎn)手感光滑，但貯油功能已消失，減少了汽缸油的存貯，使原先的邊界潤(rùn)滑更加惡化，導(dǎo)致摩擦加劇，直至汽缸套和活塞環(huán)異常磨損，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生拉缸現(xiàn)象。

五、使用低硫油時(shí)的汽缸油管理建議

汽缸油的主要功能在于保持缸壁與活塞環(huán)之間的可靠潤(rùn)滑，中和燃油中的酸，以防缸套酸性腐蝕，帶走缸套、活塞與掃氣口部位的沉淀物。筆者認(rèn)為在汽缸油功能選擇不能兼得的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮其潤(rùn)滑性能，然后考慮汽缸油的清凈分散性。使用低硫油時(shí)，可不考慮或少考慮其中和能力。

觀察表明，在使用低硫油的情況下，與BN70汽缸油相比，BN40汽缸油潤(rùn)滑性能良好，能較好地避免產(chǎn)生白色沉淀引起拉缸。雖然掃氣口等部位殘油泥較多，但磨損顆粒少，油泥稀軟，擦抹方便。在使用BN40汽缸油時(shí)應(yīng)縮短掃氣口、掃氣箱內(nèi)壁清潔周期，定期化驗(yàn)，保持鐵含量不大于100 ppm（中小型柴油機(jī)），堿值不大于原堿值的75%。

經(jīng)驗(yàn)表明，使用BN40汽缸油是合適的，為避免掃氣箱內(nèi)壁臟污，要縮短掃氣箱清潔周期。筆者認(rèn)為BN70與BN40汽缸油交替使用僅是一種建議性方式，但不是最好的方式。從調(diào)研結(jié)果來看，以前的白色沉淀不會(huì)因堿性的變化而自行消失，以前積聚的炭粒也不會(huì)因堿性的變化而消除。通過高堿性汽缸油沖洗減少掃氣箱臟污的方式值得進(jìn)一步調(diào)研。

六、結(jié)語

BN70、BN100等汽缸油的研制成功，很好地解決了高硫油時(shí)代的汽缸油使用問題。隨著船舶環(huán)保要求不斷提高，船用燃油進(jìn)入低硫油時(shí)代，如能研制出適宜低硫油使用的汽缸油，將是業(yè)界的一大幸事，期待新型汽缸油的出現(xiàn)。